Grupo 16

Biorremediación de suelos. Contaminación HAPs

BIORREMEDIACIÓN DE SUELOS


A consecuencia de la liberación de contaminantes producida principalmente por el desarrollo industrial, se han desarrollado una serie de medidas biocorrectivas o sistemas de biorremediación que reducen el impacto sobre el sistema y los seres humanos. La acumulación de estos contaminantes ha conducido a la búsqueda de la biorremediación que es una técnica utilizada hoy en día a nivel mundial y considerada una de las mejores para el tratamiento de suelos. Como premisa fundamental hay que mencionar que la biorremediación es una herramienta que puede ser utilizada eficazmente en ambientes contaminados específicos y que ha mostrado sus mejores resultados en el tratamiento de suelos contaminados por HAPs.

En el trabajo se van a desarrollar los siguientes puntos:

1. BIORREMEDIACIÓN, TIPOS DE CONTAMINANTES Y ORGANISMOS BIORREMEDIADORES MÁS IMPORTANTES.

2. FASES QUE SE HAN DE REALIZAR ANTES DE COMENZAR EL PROCESO DE BIORREMEDIACIÓN.

3. TIPOS DE BIORREMEDIACIÓN:
  • Degradación enzimática.
  • Degradación microbian
  • Fitorremediación.

4. TÉCNICAS DE BIORREMEDIACIÓN:
  • Bioventeo.
  • Atenuación natural
  • Bioestimulación.
  • Biopilas.

5. CONTAMINACIÓN POR HAPs
  • Acción biológica de los HAPs
  • Fuentes de HAPs.
  • Resultados en el uso de tratamientos sobre suelos contaminados con hidrocarburos.

6. BIORREMEDIACIÓN PARA COMBATIR EL VERTIDO DEL PRESTIGE.






1. BIORREMEDIACIÓN, TIPOS DE CONTAMINANTES Y ORGANISMOS BIORREMEDIADORES MÁS IMPORTANTES.

La biorremediación se basa en la utilización de microorganismos (levaduras, hongos o bacterias) existentes en el medio para descomponer o degradar sustancias peligrosas o contaminantes a sustancias de carácter menos tóxico (H2O, CO2) o bien inocuas para el medio ambiente y la salud humana.
Se trata de un proceso relativamente lento que requiere de meses o incluso de años pero muy económico si se efectúa adecuadamente. Por otro lado, su ventaja principal consiste en que los contaminantes son destruidos en una fase del ciclo del carbono.
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Tipos y Características de los organismos biorremediadores:
  • Casi todos son eubacterias.
  • Poseen actividades de peroxidasas y oxigenasas.
  • La oxidación cambia las propiedades de los compuestos, haciéndolos susceptibles a los ataques y facilitando su conversión a CO2 y H2O

Principales microorganismos degradadores:
BACTERIAS
Achrornobacter
Brevebacterium
Nocardia
Acinetobacter
Coryneforms
Peptococcus
Actinomyces
Erwinia
Pseudomonas
Aeromonas
Flavobacterium
Sarcina
Alcaligenes
Klebsiella
Sperotihlus
Arthrobacter
Lactobacillus
Spirillum
Bacillus
Leumthrix
Streptomyces
Beneckea
Moraxella
Vibrio

Xanthomyces

HONGOS
Allescheria
Debaromyces
Phialophora
Torulopsis
Aureobasidium
Fusarium
Penicillium
Trichoderma
Aspergillus
Gonytrichum
Rhodosporidium
Trichosporon
Botrytis
Hansenula
Rhodotorula

Candida
Helminthosporium
Saccharomyces

Cephalosporium
Mucor
Saccharomycopisis

Cladosporium
Oidiodendrum
Scopulariopsis

Cunninghamella
Paecylomyses
Sporobolomyces



Contaminantes que puede contener el suelo:
  • Hidrocarburos de todotipo (alifáticos, aromáticos, BTEX, PAHs,...).
  • Hidrocarburos clorados (PCBs, TCE, PCE, pesticidas, herbicidas,...).
  • Compuestos nitroaromáticos (TNT y otros).
  • Metales pesados. Estos no se metabolizan por los microorganismos de manera apreciable, pero pueden ser inmovilizados o precipitados.
  • Otros contaminantes. Compuestos organo fosforados, cianuros, fenoles,etc.


2. FASES QUE SE HAN DE REALIZAR ANTES DE COMENZAR EL PROCESO DE BIORREMEDIACIÓN:


Cuando se nos plantea un caso de suelo contaminado se deben llevar a cabo una serie de etapas.
Cada una de ellas deberá llevarse a cabo por distintos profesionales en los diversos campos de investigación geólogos,químicos,microbiólogos e ingenieros.
Para dicho proceso se ha de seguir las siguientes etapas:

  • En primer lugar se debe realizar una investigación exhaustiva del emplazamiento en relación con los contaminantes y en relación con el tipo de suelo.
  • En segundo lugar, se deben realizar unos ensayos de tratabilidad a nivel de laboratorio, seguidos si es factible de la implantación de dicha técnica .Pero, ¿qué son los ensayos de tratabilidad o factibilidad? Para llevar a cabo un tratamiento de biorremediación eficaz, se deben cumplir unos requisitos y se deben identificar con anterioridad los factores específicos que condicionan el proceso para así conocer las características microbianas, edafologicas y fisioquimicas del terreno.

El objetivo de los ensayos de tratabilidad es evaluar el nivel y la actividad de las poblaciones microbianas presentes, la biodegradabilidad de los contaminantes presentes por parte de las poblaciones microbianas indígenas y, finalmente, encontrar aquellas condiciones medioambientales que permitan optimizar la actividad metabólica de las poblaciones microbianas responsables de la eliminación de los contaminantes.


3. TIPOS DE BIORREMEDIACIÓN

  • La degradación enzimática: consiste en agregar enzimas al sitio contaminado con el fin de degradar las sustancias nocivas. Estas enzimas se obtienen de microorganismos especialmente diseñados para así obtener una alta especificidad.Las enzimas no son consumidas por las reacciones que ellas catalizan, por lo que a medida que ellas consumen los sustratos contaminantes pueden seguir actuando.
  • La biorremediación microbiana: consiste en la utilización de microorganismos (hongos) en el lugar contaminado, los cuales son implantados en el foco contaminante para descomponer sustancias tóxicas a través del uso de micelios fúngicos que producen enzimas capaces de degradar los componentes contaminantes
  • La fitorremediación: consiste en el uso de seres vegetales para la descontaminación, haciendo uso de los sistemas radiculares de plantas y árboles para la extracción de metales pesados y otros contaminantes de suelo,agua y aire.

4. TÉCNICAS DE BIORREMEDIACIÓN.


Las técnicas biológicas utilizadas pueden ser de tipo aerobio (medio oxidante) o anaerobio (medio reductor) y pueden ser aplicadas in-situ (en el lugar donde se encuentra el suelo contaminado) o ex-situ (el suelo se traslada a una instalación para su tratamiento) dependiendo del tipo de contaminante.
Las técnicas de biorremediación in-situ se están convirtiendo en las más populares ya que tratan de acelerar los procesos degradadores naturales mediante el suministro de oxígeno y nutrientes a la zona contaminada durante un largo periodo. El problema más complicado suele ser la falta de oxígeno especialmente en las capas más profundas de suelos contaminados por hidrocarburos.

La transformación de los contaminantes mediante las diversas técnicas está influenciada por los siguientes factores:

  • Necesidad de nutrientes: El metabolismo microbiano está orientado a la reproducción de los organismos y éstos requieren que los elementos químicos se encuentren disponibles para su asimilación y sintetización. Los nutrientes principales son el fósforo y el nitrógeno. Por lo general suele haber en el suelo una concentración de nutrientes suficiente, sin embargo, si estos no se encontrasen en proporción suficiente se puede adicionar mayor cantidad.
  • pH del suelo: afecta significativamente a la actividad microbiana ya que el crecimiento de la mayor parte de los microorganismos es máximo dentro de un intervalo de pH situado entre 6 y 8. Así mismo el pH también afecta a la solubilidad del fósforo y al transporte de metales pesados en el suelo. La acidificación o la reducción del pH en el suelo se puede realizar adicionando azufre o compuestos de azufre.
  • Temperatura: generalmente las especies bacterianas crecen a intervalos de temperatura bastante reducidos (entre 15 y 45 ºC), decreciendo la biodegradación por desnaturalización de las enzimas a temperaturas superiores a 40 ºC e inhibiéndose a inferiores a 0 ºC.
  • Humedad: los microorganismos requieren unas condiciones mínimas de humedad para su crecimiento. El agua forma parte del plasma bacteriano y sirve como medio de transporte de los compuestos orgánicos y de los nutrientes hasta el interior de las células. Un exceso de humedad inhibirá el crecimiento bacteriano al reducir la concentración de oxígeno en el suelo.
  • Estructura química del hidrocarburo: la biodegradabilidad de un hidrocarburo depende de su estructura molecular. Los parámetros que más van a afectar son la halogenación, la existencia de ramificaciones, la baja solubilidad en el agua y la diferente carga atómica.

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Las Técnicas de Biorremediación más usadas son:

1. Bioventeo/Bioaireación/Bioventing: es una técnica de biorremediación in-situ que consiste en la aireación forzada del suelo mediante la inyección a presión de oxígeno. Debido a la aireación del suelo se va a favorecer la degradación de los hidrocarburos por dos motivos: por volatilización, facilitando la migración de la fase volátil de los contaminantes, y por biodegradación, ya que al incrementar la oxigenación del suelo se va a estimular la actividad bacteriana.
Factores a tener en cuenta:
- Se degradarán más facilmente las moléculas pequeñas (hasta 20 C) y de cadena lineal, siendo más difíciles de degradar los compuestos
aromáticos. Son favorables los compuestos de alta volatilidad.
- Los suelos deben tener bajo contenido en arcillas, ser lo más homogéneos posible y tener un valor de permeabilidad adecuado.
- Cuanto menor sea la solubilidad de los contaminantes, menor será la disponibilidad de bacterias.
- Los aportes de oxígeno, las fuentes de carbono, los aceptores de electrones y la energía deben de ser suficientes.
- Tiempo de actuación corto (meses) y coste medio-alto.

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2. Atenuación natural: técnica de biorremediación in-situ que consiste en la utilización de los procesos fisico-químicos de interacción contaminante-suelo y los procesos de biodegradación que tienen lugar de forma natural en el medio. Estos procesos se conocen como procesos de biotransformación natural que van a reducir la concentración de llos contaminantes y entre los que se encuentran la dilución, dispersión, volatilización, adsorción, biodegradación y aquellas reacciones químicas que se producen en el suelo y que contribuyen de alguna forma a la disminución de la contaminación.
Se aplica en aquellos casos en los que exista contaminación producida por hidrocarburos halogenados o no halogenados. La atenuación natural puede darse en presencia o ausencia de oxígeno (condiciones aeróbicas o anaeróbicas). En presencia de oxígeno, los microorganismos convierten los contaminantes en CO2, H2O o minerales. En los casos de escasez de oxígeno, los microorganismos dependen de otros aceptores de electrones (nitrato, sulfato...).
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3. Bioestimulación: es un sistema de biorremediación in-situ en la que el agua subterránea es conducida a la superfície por medio de pozos de extracción, se acondiciona en un reactor para posteriormente volverla a inyectar y estimular la degradación bacteriana de los contaminantes del subsuelo y los acuíferos. En el reactor se agregan al agua nutrientes, oxígeno y microorganismo previamente seleccionados y adaptados. Posteriormente, el efluente se rotorna al subsuelo por medio de pozos de inyección, aspersores superficiales o galerías de infiltración distribuidos a lo largo del lugar que se quiere reparar.

4. Biopilas: se trata de una técnica de biorremediación ex-situ que consistente en la reducción de la concentración de contaminantes derivados del petróleo en suelos excavados mediante el uso de la biodegradación. La técnica consiste en la formación de pilas de material biodegradable de dimensiones variables, formadas por suelo contaminado y materia orgánica (compost), en condiciones favorables para el desarrollo de los procesos de biodegradación de los contaminantes.En el fondo de la pila el sistema cuenta con un aislante que generalmente son geomembranas o canales plásticos para el control de lixiviados.
Estas pilas de compost pueden ser aireadas de forma activa, volteando la pila, o bien de forma pasiva, mediante tubos perforados de aireación.En principio, las biopilas se pueden aplicar a la mayoría de los compuestos orgánicos, siendo más eficaz en los compuestos de carácter más ligero.Entre los factores que influyen en la aplicación de las biopilas destacan:– Los hidrocarburos deben ser no halogenados y deben encontrarse en el suelo en concentraciones menores a 50.000 ppm.
– Dada la necesidad de excavación y posterior depósito del suelo contaminado, se requiere una superficie de trabajo relativamente grande cuyas dimensiones dependen del volumen de suelo a tratar.
– Necesidad de poblaciones microbianas, condiciones adecuadas de humedad, temperatura de entre 10 y 45ºC, baja proporción de arcillas, pH del adecuado (6 y 8) y baja presencia de metales pesados.
– El tiempo de actuación puede ser alto (meses a años) y el coste bajo.


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5. CONTAMINANTES HAPs


Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs)son un grupo de más de 100 sustancias químicas diferentes, derivados poliméricos del benceno,
que se forman durante la combustión incompleta del carbón, petróleo y gasolina, basuras y otras sustancias orgánicas. Las principales fuentes naturales donde se generan estas sustacias son las erupciones volcánicas e incendios forestales, mientras que las principales fuentes humanas son el tráfico intenso de los vehículos las calefacciones domésticas o las plantas industriales que dependen de la combustión de los materiales mencionados anteriormente.
Historicamente fueron los primeros agentes químicos en ser reconocidos como causantes de tumores malignos y la preocupación que ha despertado actualmente se debe a que se han identificado como carcinógenos, mutágenos y teratógenos.
Acción biológica de los HAPs
Los HAPs constituyen una familia de compuestos ampliamente distribuida en el medio ambiente, que se caracteriza por contener dos o mas anillos de benceno unidos entre sí. La mayoría contienen solamente carbono e hidrógeno, y son siempre estructuras polinucleares de tipo aromático (también se les conoce por hidrocarburos polinucleares). Los PAH son sustancias lipóficas, tendencia que se incrementa con el aumento de su masa moleculas, e inestables fotoquímicamente, por lo que se degradan con la luz (proceso llamado fotooxidación).

La aguda toxicidad de muchos HAPs, al menos en los habituales roedores empleados como animales de experimentación, suele ser baja (valores de dosis letal para el 50% de la población expuesta (LD50) generalmente superiores a los 50 mg/kg peso vivo). Desde este punto de vista resultan menos peligrosos que una buena parte de insecticidas, acaricidas o rodenticidas que se comercializan en el mundo. Sin embargo, la gran diferencia está en los efectos a medio o largo plazo que producen algunos HAPs, que son los que en realidad hacen que estos productos despierten una preocupación científica y pública especial.
La genotoxicidad de los HAPs depende en gran medida de su estructura. Entre los más peligrosos se encuentran los derivados del antraceno, molécula que ella mísma no es carcinogénica, pero si las que contienen su estructura básica a la que se le añade algún anillo bencénico y algunos sustituyentes como los grupos metilo. El alto potencial carcinógeno de estos compuestos se debe a la existencia de la región "bay" en su estructura con unas propiedades electrofílicas elevadas que premiten interaccionas con los enlaces covalentes.
En las últimas décadas se ha realizado un progreso significativo en el estudio de la acción biológica de los HAPs. La capacidad metabolizadora de los HAPs está ampliamente distrubiuda en el reino animal, pero suele ser mayor entre los organismos superiores. Tras la absorción de los HAPs por diferentes vías (ingestión, respiración, cutánea), estos se distribuyen por diversos órganos y tejidos, en especial los ricos en lípidos. Una vez incorporados al organismo experimentan una oxidación enzimática, llevada a cabo por el sistema de oxidasas de función mixta, ubicado mayoritariamente en el hígado, que los convierte en epóxidos y en dihidrodioles. estas especies químicas constituyen la forma genotóxicamente activa de los HAPs, las cuales pueden formar aductos covalentes con proteínas y ácidos nucleicos celulares. Técnicamente hablando, en consecuencia, los HAPs son promutagénicos que precisan de actividad metabólica para poder ejercer sus acciones sobre el material genético.
Fuentes de HAPs:
La formación de la mayoría de los HAPs se produce por un proceso de pirólisis de compuestos orgánicos (como el petróleo, carbon, madera, ect.), en el que estos primero se descomponen por el calor para después dar lugar a este tipo de compuestos químicos.
Los HAPs se han hallado en el aire de las grandes ciudades en concentraciones elevadas debido a la densidad de automóviles o fuentes directas de combustión existentes, pero también se encuentras en las aguas, los sedimentos y la nieve de lagos de alta montaña. Gracias a su relativa volatilidad o su capacidad de adsorción a las partículas atmosféricas, los HAPs se transportan continuamente a través del aire, pudiendo ser depositados en lugares remotos a gran distncia de la fuente emisora, ampliando asi la dimensión de la contaminación producida por los HAPs.

Como consecuencia de la gran variedad de procesos que producen los HAPs, éstos se encuentran en pequeñas concentraciones en todos los sedimentos y suelos del planeta. El estudio de los cambios de sus niveles de concentración en zonas remotas permite conocer si la influencia antropogénica ha dado lugar a incrementos significativos de este nivel de fondo y, por tanto, da una idea bastante exacta de la exposición general a la que se encuentran expuestos todos los organismos vivos.
Una de las investigaciones que tratan este tema se ha basado en el estudio de los HAPs en los sedimentos de los lagos de alta montaña, es decir, aquellos situados por encima de la línea de vegetación arbolada que sólo reciben aportaciones hídricas atmosféricas. Estos lagos sólo reciben, por tanto, aportes contaminantes transportados por vía atmosférica y los cambios temporales registrados en sus sedimentos reflejan en última instancia los flujos de deposición atmosféricos a lo largo del tiempo. Los resultados del estudio han mostrado que en general se produjo un incremento importante al comenzar el siglo XX y se llegó a una concentración/flujo máximo alrededor de los años 1960/1980. Despues se observa una disminución, aunque los niveles actuales son entre 3 y 20 veces más altos que los niveles pre-industriales. El cambio es general y bastante uniforme en toda Europa. Destacan, no obstante. los lagos situados en el Este de Europa por sus niveles altos, lo cual refleja un mayor aporte de procesos contaminantes que dan lugar a dichos compuestos en estas zonas.
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Estos HAPs puros generalmente son sólidos incoloros, blancos o amarillo-verde pálido. Los HAPs se encuentran en alquitrán, petróleo crudo, creosota y alquitrán para techado, aunque unos pocos se usan en medicamentos o para fabricar pesticidas.

En general al hablar de HAP nos referimos a los compuestos exclusivamente por carbono e hidrógeno. Sin embargo existen compuestos en los que uno o varios átomos de carbono han sido substituidos por otros átomos o grupos de átomos, como nitrógeno, flúor, cloro, o grupos más complejos. Estos HAP se conocen como HAP substituidos, mientras que los formados por carbono e hidrógeno exclusivamente son los HAP no substituidos.



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RESULTADOS DEL USO DE ALGUNOS TRATAMIENTOS


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6. BIORREMEDIACIÓN PARA COMBATIR EL VERTIDO DEL PRESTIGE.


El accidente del Prestige y la posterior secuencia de acontecimientos de todos conocida ha desembocado en una compleja y larga operacion de remediación de costas.
En muchas zonas se ha alcanzado ya el límite de la efectividad de los métodos fisicos de limpieza rocosas y acantilados.
Entre las posibilidades más sugestivas se encuentró la biorremediación

El tratamiento de biorremediacion consiste en estimular la eliminación de la mancha mediante microorganismos que ya existen en el vertido, mediante la adicion de nutrientes, aumentamos la actividad de estos microorganismos.

Podremos inocular nuevos hongos y bacterias que esten preparados para degradar la mancha.

Dado que los microorganismos necesitan incorporar nitrógeno y fósforo a su biomasa, la disponibilidad de estos nutrientes en la zona contaminada es fundamental por lo que
el tratamiento se ha completado con las técnicas de "bioestimulación" facilitando a a ciertas bacterias estos nutrientes, mezclados con agua.
Estos microorganismos "se comen" poco a poco el petróleo hasta eliminarlo, una acción que requiere tiempo.
Existe una diversidad de técnicas que permiten llegar a las zonas más dificiles contaminadas:
1. El "riego" en un acantilado de Cuño con abono y agua que desvían de un regato próximo y que, en menos de un mes, ha logró eliminar de las rocas parte del fuel.
2. Existe la posibilidad de "regar" nutrientes con cáscara de mejillón, para que penetren con mayor facilidad entre el petróleo.

El comisionado del Ministerio de Medio Ambiente Xoán Novia informó y confirmó la utilidad de esta técnica de limpieza, que consiste en potenciar la degradación del petróleo por efecto de la naturaleza más concretamente y como venimos mencionando por acción de bacterias.





BIBLIOGRAFIA